日本人工光型植物工廠技術(shù)進展與典型案例

日本植物工廠研究會

自2009年開始，日本農(nóng)林水產(chǎn)省和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省先后投資近150億日元啟動了“示范型植物工廠實證·展示·培訓事業(yè)”和“植物工廠核心技術(shù)研究據(jù)點事業(yè)”項目，組織了日本千葉大學、東京農(nóng)工大學、大阪府立大學、愛媛大學、信州大學、明治大學、島根大學、農(nóng)研機構(gòu)·蔬菜茶葉研究所、九州沖繩農(nóng)業(yè)研究中心、三重縣農(nóng)業(yè)研究所、青森縣產(chǎn)業(yè)技術(shù)中心農(nóng)林綜合研究所等大專院校與科研院所開展核心技術(shù)攻關(guān)和試驗示范。同時，由67家涉農(nóng)企業(yè)為核心會員成立的日本植物工廠研究會也同期應(yīng)運而生，理事長為古在豐樹教授，是一個特定非盈利的社團法人，目前已有108家團體會員和88名個人會員。日本植物工廠研究會的入會金為1萬日元，年會費分為6檔：A類特別團體會員的年會費為100萬日元，B類為50萬日元，團體會員的年會費為10萬日元，個人會員的為2萬日元，贊助團體會員的年會費為5萬日元，贊助個人會員的為1萬日元。日本植物工廠研究會每年定期舉辦10次植物工廠學習會和6次植物工廠培訓會、還接受網(wǎng)上預(yù)約的植物工廠參觀會。到2016年4月1日截止，已成功舉辦96次植物工廠學習會，會員的學費為2700日元/次、非會員為5400日元/次；植物工廠參觀按照預(yù)約制，每20～40人成團，無專業(yè)講解的參觀會每人收費500日元，有專業(yè)講解的參觀會每人收費2200日元。植物工廠參觀會的專業(yè)講解員則由古在豐樹教授、篠原溫教授、丸尾達教授擔任，可見日本植物工廠研究會對植物工廠科普工作的重視。

日本植物工廠研究會的主要成員結(jié)成松下聯(lián)盟組、未來聯(lián)盟組、和鄉(xiāng)聯(lián)盟組開展植物工廠的技術(shù)研發(fā)與試驗示范活動（圖1）。松下聯(lián)盟組主要開展都市型植物工廠的產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)推廣活動，主要業(yè)務(wù)是將小型或超小型的人工光型植物工廠向辦公樓、超市、醫(yī)院、酒店、學校、餐廳、住宅群、便利店等場所推廣。未來聯(lián)盟組主要針對大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的人工光型葉菜植物工廠開展研發(fā)和市場推廣活動。和鄉(xiāng)聯(lián)盟組針對結(jié)球生菜的產(chǎn)業(yè)需求開展大規(guī)模和低成本化的植物工廠技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣。產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟組成員與植物工廠研究單位進行產(chǎn)學研結(jié)合，針對人工光型植物工廠的明期暗期的最佳組合控制、基于生育階段的環(huán)境要素與栽培密度的優(yōu)化、人工光下最佳栽培品種的開發(fā)、功能性植物的培育技術(shù)、抗病性好但抗逆性弱的品種篩選、植物工廠進行采種和育種的可行性等開展了深入的研發(fā)試驗。筆者曾參加了4次植物工廠學習會，并有幸2次作為講師登上學習會的講臺，深有感觸。日本植物工廠學習會雖然每次只有4 h，但針對明確的主題，包括基礎(chǔ)理論學習與科普、最新的技術(shù)研發(fā)進展、產(chǎn)業(yè)普及現(xiàn)狀與商業(yè)化前景展望，讓每一個聽眾都能針對主題內(nèi)容掌握一定的理論知識與技術(shù)實踐，并對其商業(yè)化前景和存在的問題有深刻的體會和認識。植物工廠學習會的聽眾每次在60～100人，幾乎都是座無虛席，聽眾層次都為企業(yè)高層和技術(shù)骨干，講師與聽眾也積極互動，很多聽眾在休息時間和會后與講師互換名片并簡短交流。在這樣一個精益求精、人人學習的社會環(huán)境下，才使得日本的植物工廠技術(shù)能夠走在全世界的前列。

日本未來有限公司的人工光型葉菜植物工廠

日本未來有限公司（MIRAI CO， LTD）成立于2004年9月，是一家以植物工廠和水耕栽培設(shè)備的研究開發(fā)與設(shè)備銷售、設(shè)備售后的工廠運營/栽培技術(shù)支持、水耕蔬菜的生產(chǎn)與銷售為主體業(yè)務(wù)的高新企業(yè)，其研發(fā)活動是與千葉大學共同開展的。目前，擁有4棟自己經(jīng)營的植物工廠：多賀城Labo（日產(chǎn)生菜500株）、多賀城Green Room（日產(chǎn)生菜10000株，使用LED光源）、柏之葉Green Room工廠（日產(chǎn)生菜10000株，使用熒光燈）、千葉大學內(nèi)Green Room（日產(chǎn)生菜3000株，現(xiàn)為熒光燈，準備更換為LED光源）。2013年向蒙古國銷售日產(chǎn)生菜3000株的人工光型植物工廠2棟，2014年向中國香港銷售日產(chǎn)生菜4500株的人工光型植物工廠1棟、向俄羅斯銷售日產(chǎn)生菜10000株的人工光型植物工廠1棟。日本未來有限公司的技術(shù)優(yōu)勢是緊密地圍繞在日本千葉大學的周圍與其共同開展研發(fā)活動，并將其自有工廠積累的人工光蔬菜生產(chǎn)經(jīng)驗反饋到植物工廠設(shè)計建設(shè)和栽培管理中。

基于LED的多賀城Green Room在改造前是一個半導體工廠，將其改建為利用15層水耕栽培、全面采用LED照明的日產(chǎn)生菜10000株的人工光利用型植物工廠（圖2）。原來的半導體工廠的建筑面積為2300 m2、層高為7 m，植物工廠改造后栽培面積為1400 m2、栽培架的層高為6 m，按照7 h/天的工作量安排的實際用工數(shù)為20人，主要生產(chǎn)生菜和香草，銷售對象是超市、連鎖餐廳、連鎖咖啡店等。該植物工廠采用LED光源共計17500支，從育苗室出來后的初期階段采用白色和紅色LED光源，其光質(zhì)偏白以促進光合作用，然后再照射由紅色和藍色組合的LED光源，其光質(zhì)偏紅以促進葉片和根莖的生長，臨近收獲期時采用偏白的LED光源以促進光合作用。與使用熒光燈的柏之葉Green Room的人工光型植物工廠相比，基于LED的多賀城Green Room的耗電量減少了40%，其收獲量也提高了50%。據(jù)該公司介紹，為了避免因多層栽培架在高度方向上的溫度、風量及光照強度等產(chǎn)生明顯差異，科學而合理地布局了空調(diào)和設(shè)備。該植物工廠自2014年5月投產(chǎn)后運行良好，產(chǎn)量基本能達到設(shè)計目標，但使用熒光燈的柏之葉Green Room則無法實現(xiàn)預(yù)期目標。該公司在2013年成立了未來大田（北京）貿(mào)易有限公司進軍中國市場。從未來公司的全球業(yè)務(wù)擴張到運營管理來看，人工光型葉菜植物工廠由LED光源取代熒光燈指日可待。

其實，在日本利用人工光生產(chǎn)葉菜的最大的植物工廠是由京都Spread公司建立的，該公司從日產(chǎn)生菜5000株的植物工廠開始，逐漸擴大生產(chǎn)規(guī)模，累計生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)達到40000株以上，目前還準備建造1棟占地面積為4400 m3、全球首個完全自動化的新型植物工廠，每日的生菜產(chǎn)量將達30000株。京都Spread公司在人工光葉菜生產(chǎn)領(lǐng)域可以說是全世界最強的。富士通公司利用植物工廠生產(chǎn)的低鉀生菜也已經(jīng)投放市場，其市場價格是普通生菜的3倍以上，這是由植物工廠生產(chǎn)高附加值植物的一個典型范例。

日本日清紡股份有限公司的人工光型草莓植物工廠

日本的設(shè)施草莓生產(chǎn)以其優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和品種眾多聞名于世，在中國還在探討如何提高越冬草莓生產(chǎn)水平時，其研究重點早就轉(zhuǎn)向越夏草莓的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)技術(shù)研究和適宜品種開發(fā)。同時，日本的種子繁殖型草莓品種的開發(fā)也取得了突破性進展，目前已經(jīng)在開展商業(yè)化推廣。草莓因其株高矮、需光量不大、果實價值高等特點，是適于在人工光型植物工廠中生產(chǎn)的植物種類。日本千葉大學率先在日本開展了草莓的人工光栽培研究，其后由日清紡股份有限公司（Nisshinbo Group）開展了草莓人工光生產(chǎn)的商業(yè)化。

日本日清紡股份有限公司成立于1907年，從紡織起家逐漸拓展事業(yè)版圖，于2009年成立集團控股公司，下轄6家子公司，產(chǎn)業(yè)擴及紡織、汽車、化學、電子、機械設(shè)備及造紙等6大領(lǐng)域。日清紡公司新規(guī)事業(yè)開發(fā)部于2010年成立植物工廠研發(fā)組并開展草莓和葉菜的植物工廠生產(chǎn)，于2011年3月在德島縣德島市設(shè)置了10000株草莓植物工廠進行中試，到2012年9月已擴展為占地面積為6000 m2、種植草莓10萬株的草莓植物工廠，并注冊商品名為“あぽろべりー”開始銷售（圖3）。公司于2014年1月在靜岡縣藤枝市又建設(shè)了同樣占地面積為6000 m2、種植草莓10萬株的草莓植物工廠。以下就德島草莓植物工廠的生產(chǎn)情況進行簡單介紹。

德島草莓植物工廠的占地規(guī)模為60 m×100 m，每個栽培單元的層高為3.2 m，有20 m的5層栽培床8列，目前主要使用熒光燈，每月能穩(wěn)定生產(chǎn)6～7 t草莓（每年0.8 kg/株），全部采用B2B方式簽約銷售，銷量的90%用于蛋糕加工。據(jù)稱，該公司已掌握了草莓的人工光種植方法，并預(yù)定于2017年全部更換為LED光源，預(yù)計在2017年3月實現(xiàn)12～13 t/月的草莓產(chǎn)量（每年1.6 kg/株），到

2018年3月實現(xiàn)15～17 t/月

的草莓產(chǎn)量（每年2 kg/株）。普通的設(shè)施草莓的產(chǎn)量約為6～10 kg/m2（每年<0.2 kg/株），種植密度約為7～8株/m2，而人工光型草莓植物工廠的產(chǎn)量目前也在5～6 kg/m2，期待在2017年以后達到12～16 kg/m2以上。

日清紡公司的草莓植物工廠的突出之處在于，利用營養(yǎng)液管理、溫濕管理、光照管理等環(huán)境控制手段有效地調(diào)控了草莓果實的大小、糖酸比、口感等品質(zhì)指標，無論是在冬季還是夏季都能生產(chǎn)出品質(zhì)如一的果實，耐儲藏性更好（圖4）。這對于品種多樣性好、短日喜冷的草莓生產(chǎn)來說，完全環(huán)境控制的人工光型植物工廠無疑是一個理想的生產(chǎn)設(shè)施。草莓的一季性品種適于越冬栽培以提高其糖度用于鮮食，四季性品種適于夏秋栽培，但酸度較大，主要是由韓國和美國生產(chǎn)。人工光型植物工廠可以在完全可控環(huán)境下進行穩(wěn)定生產(chǎn)，不僅能突破品種的季節(jié)性限制，還能實現(xiàn)周年穩(wěn)定的草莓品質(zhì)調(diào)控。據(jù)日清紡公司的工程師介紹，該德島草莓植物工廠的草莓苗從2010年到現(xiàn)在一直沒有更換，其技術(shù)要點在于營養(yǎng)液的pH和根系管理。（編者注：1人民幣元=16.798日元）

作者簡介：賀冬仙（1970-），女，山西太谷人，教授，博士，博士生導師。